方鋼管鉛芯阻尼器性能研究

胡強 陳勁飆 唐咸遠

摘 要：針對方鋼管更具適應性、節點構造簡單、施工方便等特點，本文提出方鋼管鉛芯阻尼器.采用有限元方法對方鋼管鉛芯阻尼器的力學性能進行分析，并與圓鋼管鉛芯阻尼器進行對比研究. 結果表明，與圓鋼管鉛芯阻尼器相比，方鋼管鉛芯阻尼器的延性和屈服剪力略低、屈服后剛度略高、初始剛度與耗能性能相近. 因此，方鋼管鉛芯阻尼器能夠滿足耗能減震的作用.

關鍵詞：方鋼管鉛芯阻尼器；屈服剪力；耗能性能；有限元

中圖分類號：TU352.1 文獻標志碼：A

0 引言

將阻尼器應用于工程結構中，可大量消耗地震能量，減小地震損失[1-3]，降低地震給工程結構帶來的損害.1972年Kelly等[4]首次提出利用金屬塑性變形耗能減震，隨后出現了各種金屬阻尼器[5-6]，如鋼阻尼器、鉛阻尼器、形狀記憶合金阻尼器和組合式阻尼器等.常見的鋼阻尼器如梁式阻尼器、圓環阻尼器、鋼棒阻尼器及鋼板剪切阻尼器等，具有塑性能力強、延性好、工作性能穩定等優點.鉛具有塑性高、強度低、潤滑能力強等特點，且通過動態恢復與再結晶過程，其組織和性能可以恢復至變形前的狀態，因而鉛阻尼器具有較高的延性和塑性變形能力，能大量吸收能量，并具有較好的變形跟蹤能力.目前的鉛阻尼器主要有鉛擠壓阻尼器、鉛剪切阻尼器、鉛節點阻尼器、鉛粘彈性阻尼器等[7-9].周云等[7]提出鋼管鉛芯阻尼器，體現了“多種耗能機制共同耗能”的思想.

鋼管鉛芯阻尼器采用內灌鉛芯的圓鋼管，具有構造簡單、加工安裝方便、耗能性能優良、工作性能穩定的特點.相對圓鋼管而言，相同規格的方鋼管的承載力和抗震性能更好，且方鋼管與其他構件的連接更為簡單方便，因而方鋼管更具適應性.本文基于圓鋼管鉛芯阻尼器，提出方鋼管鉛芯阻尼器，并對方鋼管鉛芯阻尼器進行有限元分析，研究其力學性能，并對兩者進行對比.

1 鋼管鉛芯阻尼器的構造

鋼管鉛芯阻尼器由鋼管、鉛芯、端板組成，其構造及各參數如圖1所示.

如圖1（a）所示，方鋼管阻尼器對鋼管中部外側進行削弱以使塑性變形集中在削弱處，其中c為鋼管非削弱段，l為削弱段，鋼管厚度為t，削弱段最小厚度為t'，鋼管與端板采用焊縫連接.阻尼器兩端若設堵頭，則堵頭應位于端板中心且堵頭為半球形，半徑為R.制作時，可將一端端板與鋼管焊接，灌鉛后再焊接另一側端板.

為方便對比，以圓鋼管鉛芯阻尼器[10]（SCD為無堵頭，SCD-plug為有堵頭）為基礎，通過鋼管截面面積與慣性矩等效（SSD-AI為無堵頭，SSD-AI-plug為有堵頭）、鋼管截面面積與厚度不變（SSD-At）、鋼管截面積與鉛芯截面均不變（SSD-AA）、內外輪廓尺寸不變（SSD-Dd）等方式計算得到方鋼管鉛芯阻尼器的參數如表1所示.

2 鋼管鉛芯阻尼器的有限元模型

采用ABAQUS軟件對阻尼器進行建模，采用C3D8R三維實體減縮積分單元，有限元網格劃分如圖2所示.模型的材料參數[9]為：鋼管鋼材彈性模量E=2.1×105 MPa，泊松比v=0.3，屈服強度fy=235 MPa，極限強度fu=400 MPa，極限應變εu=0.2；鉛彈性模量為E=1.65×104 MPa，泊松比v=0.42，屈服強度fy=10.5 MPa.建模時，鋼管與鉛芯、鋼管與端板之間采用綁定約束，端板與鉛芯之間采用硬接觸；試件底端為固定約束，頂端約束除水平方向外的其他自由度，并在頂端施加水平位移.

3 有限元分析結果

3.1 堵頭的影響

分別對試件SCD，SCD-plug，SSD-AI，SSD-AI-plug進行推覆分析和滯回分析.如圖3和圖4所示，其荷載-位移曲線分3個階段，即直線上升段、屈服后曲線段、下降段.無論圓鋼管阻尼器還是方鋼管阻尼器，堵頭僅對曲線下降段有明顯的影響，堵頭能有效減緩下降段的降低趨勢，使阻尼器的承載力不致降低過多；但對于直線段和屈服后階段沒有顯著影響.

如表2所示，圓鋼管阻尼器的屈服剪力和極限位移均高于方鋼管阻尼器，但無論圓鋼管阻尼器還是方鋼管阻尼器，屈服剪力在有堵頭時僅比無堵頭時分別略大1.5%及0.6%，極限剪力分別略大0.83%及1.3%，而延性系數前者下降5.8%，后者增大3.9%，表明堵頭對阻尼器的剪切承載力與延性的影響不大.

由圖4試件滯回曲線所示，有堵頭的阻尼器比沒有堵頭的阻尼器的滯回環略大，但其滯回曲線形狀均非常飽滿，均具有優良的滯回耗能能力.

綜上所述，設置堵頭能使鋼管鉛芯阻尼器的剪切承載力、延性、滯回耗能性略有提高，但提高有限，且堵頭的設置在一定程度上增加了阻尼器構造上的復雜性.因此，本文主要討論不設置堵頭的阻尼器的力學性能.

3.2 圓鋼管鉛芯阻尼器與方鋼管鉛芯阻尼器的力學性能對比

為了研究阻尼器的力學性能，對比方鋼管鉛芯阻尼器與圓鋼管鉛芯阻尼器的性能，分析以圓鋼管鉛芯阻尼器SCD為基礎，以不同等效方式獲得的方鋼管試件SSD-AI，SSD-At，SSD-AA，SSD-Dd共5個試件的剪力-位移曲線及滯回曲線，分別如圖5及圖6所示.

由表3及圖5可知，所有試件的剪力-位移曲線均分為3段，即直線上升段、屈服后曲線段和下降段，所有試件直線上升段幾乎相同；方鋼管阻尼器的屈服后曲線由曲線段和近似直線段組成，而圓鋼管阻尼器屈服后曲線的曲線段非常小；方鋼管阻尼器的屈服位移、極限位移及延性系數均小于圓鋼管阻尼器.

方鋼管阻尼器除SSD-Dd外，其它3個試件的屈服剪力和極限剪力均小于圓鋼管阻尼器；采用鋼管與鉛芯截面面積均不變方式的方鋼管阻尼器（SSD-AA）的屈服剪力在5個試件中最小，但其剪力-位移曲線屈服后斜率即屈服后剛度與圓鋼管阻尼器基本一致；采用面積與慣性矩等效方式的方鋼管阻尼器（SSD-AI）的極限剪力小于圓鋼管阻尼器，屈服后曲線斜率即屈服后剛度略大于圓鋼管阻尼器，但非常接近；采用鋼管截面面積與厚度不變方式方鋼管阻尼器（SSD-At）的屈服剪力大于試件SSD-AI與SSD-AA，但略小于圓鋼管阻尼器，但其屈服后曲線的斜率即屈服后剛度大于圓鋼管阻尼器；采用內外輪廓尺寸不變方式的方鋼管阻尼器（SSD-Dd）的屈服剪力與屈服后剛度均大于圓鋼管阻尼器.

由圖6可知，各試件的滯回曲線均較為飽滿，都具有較好的滯回耗能性能，但方鋼管阻尼器除試件SSD-Dd外，由于屈服剪力略小，導致其滯回曲線面積略小于圓鋼管阻尼器，即圓鋼管鉛芯阻尼器的耗能性能略優于方鋼管.

上述分析表明：試件SSD-AI，SSD-At，SSD-AA的屈服剪力與極限剪力小于圓鋼管鉛芯阻尼器SCD，而試件SSD-Dd則大于圓鋼管鉛芯阻尼器.究其原因，是由于圓鋼管對鉛芯的套箍效應強于方鋼管，以及采用的不同的等效方式.對比表1所示阻尼器幾何參數可知，由于采用鋼管面積和慣性矩相等、鋼管截面面積與厚度不變、鋼管截面積與鉛芯截面均不變的等效條件，使得方鋼管的輪廓尺寸以及鉛芯面積明顯小于圓鋼管，例如方鋼管鉛芯阻尼器試件SSD-AI的外輪廓尺寸減小了12.7%，內輪廓尺寸減小了13.6%，鋼管厚度減小了9.1%，鉛芯面積減小了5%；而采用內外輪廓尺寸不變的等效方法使得試件SSD-Dd的鋼管面積增大了27.4%，鋼管慣性矩增大了70%，鉛芯面積增大了27.4%.

對比表1和表3可知，試件SSD-Dd的屈服剪力和極限剪力大于其它3個試件，表明可通過適當加大輪廓尺寸提高阻尼器的屈服剪力和極限剪力；試件SSD-AI的極限位移大于另外3個試件，表明可通過增大阻尼器高寬比來增大延性；試件SSD-AA的極限位移和延性系數大于試件SSD-At，表明可減小鋼管厚度來提高極限位移和延性.

4 結論

綜上所述，雖然圓鋼管鉛芯阻尼器的屈服剪力略高于方鋼管鉛芯阻尼器，耗能性能好于方鋼管阻尼器，但方鋼管鉛芯阻尼器仍能滿足工程需求，其屈服剪力相較圓鋼管鉛芯阻尼器而言降低并不大，且其延性較好；同時，方鋼管鉛芯阻尼器可通過適當加大鋼管輪廓尺寸獲得更好的力學性能，加大高寬比和減小鋼管厚度獲得更大的極限位移和延性；此外，由于方鋼管鉛芯阻尼器構造相對簡單，制作方便，與其它構件的連接較圓鋼管更為方便；因而方鋼管鉛芯阻尼器具有較好的工程應用價值.

參考文獻

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Abstract：Dampers are prevalent in seismic structure on account of the effective reduction of earthquake damage and loss of the structure. Lead-filled circular steel tube damper has excellent energy dissipation and stable working performance， in contrast， the lead-filled square steel tube damper is more adaptive in simple and reasonable joint and convenient construction. Finite element model is built to study mechanical behaviors of the lead-filled square steel tube damper. Then the comparative study of circular and square steel tube dampers is conducted. The results indicate that the square steel tube damper has a little smaller ductility and yielding shear， higher post-yielding stiffness and almost the same energy dissipation. Therefore， the lead-filled square steel tube damper meets the demand of energy dissipation and seismic mitigation.

Key words： lead-filled square steel tube damper； yielding shear； energy dissipation behavior； finite element

（學科編輯：黎 婭）